여기에서 는 진동절연기에 인가된 변위를 나타내고 식 과 를 조합하면
로 정리된다 점성 감쇠요소 는 다음의 평가지표가 최소가 되도록 하여 도출된다
여기에서 와 는 각각 실험데이터의 개수와 적분시간을 나타낸다 는 정하중시험 으로부터 획득된 변위 와 의 변위 하중선도로부터 산출된 값에 기인하여 식 로부터 수치 적분된 하중 값이며 는 실제 정하중 시험으로부터 획득된 값에 근 거한다
는 상기 식으로부터 스틸와이어의 강성 측정치 일 때 산출 된 와 의 값을 나타내며 메쉬 와셔의 압축 변위에 따라 크게 가변 되는 특징 을 나타낸다
은 상기 식 와 의 산출된 파라미터로부터 계산된 의 적합성을 입증하기 위해 실제 측정치인 와 비교한 것으로 와 의 압축변위가 인가되 었을 때의 결과를 비교하였다 해석 시 각각의 변위 영역에서 의 비선형적 경향이 고려되지 않아 곡선접합의 일부구간에서 다소 불일치구간이 존재하나 본 연구에서 제 안한 수학적 모델이 실제 메쉬 와셔가 적용된 진동절연기의 특성을 근사적으로
0 30 60 90 120
0 80 160 240 320
0 1 2 3 4 5
k
2c
S pr in g el em en t, k ( N /m m ) D am pin g e le m en t, c (N se c/m m )
Displacement of compressed mesh washer (mm)
2
0 50 100 150 200 250 300 350
-20 -10 0 10 20 30
3mm (Test)
3mm (Simulation, c=61 Nsec/mm) 5mm (Test)
5mm (Simulation, c=1005 Nsec/mm)
p (N )
t (sec)
Stop of Steel Wire Extension
나. 진동절연기 조립체 수학적 모델링
은 우주용 냉각기와 결합된 진동절연기 조립체의 간단한 자유도 모델을 나타낸다 은 의 주 구동주파수에서 의 외란력 를 유발하는 의 냉 각기 무게를 나타낸다 우주용 냉각기의 궤도 운용 중 발생하는 미소진동은 의 저강성 영역에서의 도출된 진동절연기 조립체의 강성치 과 감쇠계수
히트파이프의 강성치 트렌스퍼라인의 강성치
를 통해 기저면으로 전달되며 궤도 환경에서 진동절연기의 장력이 이완된 스틸 와이어 와 냉각기를 저강성 탄성 지지하는 히트파이프 및 트렌스퍼라인을 통해 기저면 으로의 전달력 최소화가 가능하다
의 간단한 자유도 모델로부터 기본 진동 전달률 이론에 기인한 기저면 으로의 전달력의 전달함수를 도출할 수 있다 의 자유도 모델에서 냉각기의 변위를 으로 정의 할 경우 진동절연기 조립체의 운동방정식은 다음과 같다
여기서 는 를 나타내며 수동형 진동절연기와 트랜스퍼라인 히트파이 프를 통해 기저면으로 전달되는 힘 는
로 정의된다 여기서 냉각기가 유발하는 진동 외란력 와 진동절연기 조립체를 통해 바닥에 전달되는 힘 의 크기 비로 식 과 을 조합하면
로 정리된다 여기서 는 복소수 변환변수이고 는 냉각기의 변위 을 라플라스 변환한 것을 나타낸다 만일 복소수 변환변수 값이 복소수평면에서 허수축을 따라서 만 움직이도록 제한한다면 식 은
로 정리된다 여기에서 을 나타내고 는 냉각기의 구동주파수 은 진동절 연기 조립체의 고유진동수를 각각 나타낸다
식 의 기본 진동 전달률 식으로부터 와 같은 진동 전달률 선도를 도출 할 수 있으며 이로부터 진동절연기 적용시의 기저면으로의 진동 저감성능을 예측할 수 있다 일반적으로 진동절연기의 설계에 있어 의 기본 진동 전달률선도는 초기 설계지표로 유용하게 사용되며 전달률이 최소가 되도록 혹은 값을 조정하게 된 다 여기서 주목할 것은 주파수비 가 보다 큰 경우에는 전달률이 보다 작아지며 진동절연 영역이라 명시할 수 있다 이 영역에서는 감쇠가 증가할수록 전달률이 상승 하기 때문에 낮은 감쇠비가 통상적으로 요구된다 따라서 절연 대상체의 무게가 일정 하다고 가정하면 를 만족하는 강성치 및 최소의 감쇠비를 갖도록 설계를 진 행하나 발사 및 궤도환경과 같이 서로 상이한 진동환경을 겪는 우주용 진동절연기를 설계하기 위해서는 발사환경에서의 저주파 가진력을 반드시 고려해야한다 발사환경에
해볼 때 히트파이프와 트랜스퍼라인 진동절연기로 저강성 지지되는 진동절연기 조립 체의 미소진동 영역에서의 고유진동수는 약 이며 감쇠비는 약 이다 여기에 서 궤도운용 시 의 구동주파수를 갖는 냉각기에 대해 로부터 예상되는 진 동 저감율은 약 배 이며 의 외란력을 발생하는 냉각기로부터 기저면으로 전달 되는 전달력은 약 으로 뛰어난 미소진동 절연성능을 예측할 수 있다 반면 상대 적으로 큰 진동하중을 유발하는 발사환경에 대해 고찰해 볼 때 본 연구에서 제안한 수동형 진동절연기는 인가변위에 따라 강성과 감쇠계수가 가변하는 메쉬와셔에 거동특성에 의해 고유진동수 및 감쇠비가 증가하는 경향을 보인다 또한 발사 및 궤도 환경에서 약 의 고정된 감쇠비를 갖는 기존의 코일스프링을 활용한 진동절연기의 특성과 비교해 볼 때 기존의 진동절연기보다 배 이상의 감쇠비를 보장 가능하 다 이는 상대적으로 극한 진동 하중이 발생하는 발사환경에서 뛰어난 진동저감 성능 이 보장됨을 의미한다 따라서 본 연구에서 제안한 메쉬 와셔 진동절연기는 작용 하중의 크기에 따라 강성 및 감쇠비가 가변되어 본 연구에서 목적하는 발사하중 저감 및 궤도 미소진동 절연에 유효할 것으로 판단한다
제 3 장 발사 진동 저감성능 검증시험
우주 발사체는 과 같이 임무 수행을 위한 비행 중 여러 가지 이벤트 및 동적 환경을 경험하게 된다 이륙 엔진 연소 종료 단 분리
부스터 분리 상부 엔진 점화 페어링
분리 위성 분리 와 같은 비행 이벤트
를 경험하게 된다 이러한 이벤트 및 비행 환경에 의해 발생하는 동적 환경은 크게 가지로 분류할 수 있다 이륙직후부터 포고 플러터 및 주 엔진 연소 종료 에 기인한 이하의 정현파 진동
가진 환경이 유발된다 랜덤 진동 은 발사체의 최대 동압 구간에서 발생하는 음향하중 및 공력하중 등의 가진에 의해 주로 발생하며 발사체 구 조물을 통하여 위성체와 발사체의 어댑터 구조로 전달된다 중고주파영역에 존재하는 이러한 진동환경은 위성체 전장품의 구조건전성을 위협한다 마지막으로 파이로 충격 은 화약을 이용한 단분리 페어링 분리 위성분리 등의 분리 이벤트에서 주로 발생한다 발사체는 주로 화약을 이용하여 구속을 해제하거나 구조물을 절단하는 분리장치를 사용하게 되는데 이 때 화약의 폭발로 인해 구조적으로 매우 큰 천이 진동 현상이 유발한다 이러한 파이로 충격의 특성에 의해 발사체 또는 위성에 장착되는 전 자장비 내부 소자의 오작동을 유발시켜 여러 가지 문제를 발생시킬 수 있는데 이러한 문제는 발사체 또는 위성의 임무 수행 실패까지 야기할 수 있어 위성개발단계에서 필 수적으로 검증되어야 할 대상이다
본 연구에서 제안한 메쉬 와셔가 적용된 진동절연기의 발사환경에서의 성능
위만큼 압축시킨 후 스프링을 구속 해제하여 순간적으로 공명판에 유발되는 충격이 시 험체에 전달되는 원리로 설계되었다
제 절1 정현파 진동 시험
과 에 정현파 진동시험의 인증규격 및 시험결과를 나타내었으며 이와 비교를 위해 동일 레벨에서 측정된 선행연구 의 정현파 진동시험 결과를 나타내었다 선행연구의 실험결과에서 나타나는 대역의 최대 가속도 응답 약 와 비교하여 본 연구에서 제안한 진동절연기는 약 대역에서 의 다소 감소한 응답이 관측된 다 하지만 의 주파수 대역에서 선행연구 결과보다 배 이상 뛰어난 진동 저감 성능을 보이고 있으며 이는 자유감쇠진동 시험 시 측정된 발사환경 진동영역에 서의 고유진동수와는 근사한 차이가 존재하나 로부터 유추되는 냉각기 조립체 의 발사환경에서의 고유진동수를 기점으로 하는 감쇠효과 및 해당 주파수에서 메쉬 와셔의 조립 단계에서 인가된 를 포함하여 최대 의 큰 변위가 메 쉬 와셔에 인가되어 큰 에너지 산일화 효과가 발생한 것으로 추정한다 그러나
의 정현파 진동시험 결과에서는 를 기점으로 하는 진동저감 경향성이 나타나고 있으며 이는 각각의 진동절연기에 적용된 메쉬와셔와 스틸와이어에 인가된 장력 에 차이가 존재함으로써 기인한 것으로 판단된다 상기의 현상을 의 진동절연기 조립체 자유감쇠진동 시험으로부터 고찰하면 냉각기에 의도적으로 인가된 최대 가용 변위를 방출하면 축 방향으로 절연기 조립체가 거동하게 되며 이때의 냉각기 길이방 향 응답은 발사환경에 상응하는 진동하중 영역에서 약 에 존재한다
의 진동절연기 조립체 충격시험 결과에서도 순간적인 하중이 인가되어 축 내에서 절연기 조립체의 대변위가 발생하며 이때의 고유진동수 역시 약 대역에 존재한다 충격시험에 관련된 설명은 다음 절에서 보다 상세히 다루고자 한다 하지만 정현파 진동시험 시 가진기의 가진 방향은 축으로 제한되나 실제 절연기 조립체의 거동은 축으로 제한되지 않으며 플라스틱 소재의 고정축 커버와 변위구속블록간의 충돌 및 각각의 상이한 스틸와이어의 장력조건으로 인해 진동절연기 조립체의 회전모
개의 스틸와이어 장력이 이완되고 오직 한 개의 스틸와이어에만 장력이 작용하도록 한 조건에서 냉각기의 길이방향으로 자유감쇠진동시험을 실시하였다 은 각각 상기의 이격된 위치에서 수행된 자유감쇠진동시험의 시간이력 및 주파수 응답을 나타내며 발사환경에 상응하는 대 변위 조건에서 진동절연기 조립체의 고유진동수는 약 에 존재함을 알 수 있다 상기의 결과를 종합해 볼 때 각 스틸와이어에 인 가된 상이한 장력조건에서 유발하는 진동절연기 조립체의 회전모드 및 병진모드는 냉 각기 길이방향 정하중시험으로부터 획득된 고유진동수와 약간의 차이를 보이며 이는 정현파 진동이 를 기점으로 저감되는 현상을 대변한다 또한 대역 이 상에서의 응답에 대해 고찰하면 가진 레벨이 로 저하됨에 따라 메쉬 와셔에 인가되는 변위가 이하로 감소되어 메쉬 와셔의 변형에 의한 에너지 소산 보다는 진동절연기의 플라스틱 소재 상호간의 슬립 및 스틸와이어와 고정축 커버 사 이의 마찰에 의한 에너지 산일화가 주된 감쇠요인으로 판단되며 이와 유사한 특성이 다음 절의 랜덤 진동시험 결과에서 관측된다